REPÃ BLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVESITARIO POLITÃ CNICO “SANTIAGO MARIÃ O”

REPÃ BLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVESITARIO POLITÃ CNICO
“SANTIAGO MARIÃ O”
EXTENSIÃ N MATURÃ N
Subestaciones ELÃ CTRICAS
Autor:
MaturÃ−n, Mayo de 2013.
INTRODUCCIÃ N
En toda instalación industrial, comercial o residencial es indispensable el uso de la energÃ−a, la continuidad
de servicio y calidad de la energÃ−a consumida por los diferentes equipos y aparatos, asÃ− como la
requerida para la iluminación, es por esto que las subestaciones eléctricas son necesarias para lograr una
mayor productividad, ya que, no obstante su elevado costo son convenientes al usuario debido a que las cuotas
de consumo, medidas en alta tensión son mucho más económicas que cuando los servicios son
suministrados por la empresa en baja tensión, por lo cual, el gasto inicial se compensa en poco tiempo
quedando un ahorro permanente al propietario.
Los factores que intervienen en el diseño y construcción de una subestación eléctrica son muy variados
y necesitan de múltiples estudios que dependen de las condiciones presentes. Con el objetivo de brindar una
idea general del extenso campo que esto incluye, se mostrara información sobre subestaciones, su
clasificación, elementos que la constituyen, diferentes esquemas de operación, sus criterios de diseño y
criterios de capacidad,
Subestaciones
• Definición de Subestación Eléctrica.
Las subestaciones eléctricas son las instalaciones encargadas de realizar transformaciones de la tensión, de
la frecuencia, del número de fases o la conexión de dos o más circuitos.
Pueden encontrarse junto a las centrales generadoras y en la periferia de las zonas de consumo, en el exterior o
interior de los edificios. Actualmente en las ciudades las subestaciones están en el interior de los edificios
para ahorrar espacio y contaminación. En cambio, las instalaciones al aire libre están situadas en las afueras
de la ciudad.
2. Clasificación de las Subestaciones Eléctricas de acuerdo a:
Función:
1
-De maniobra: destinada a la interconexión de dos o más circuitos
• Todas las lÃ−neas que concurren en la subestación a igual tensión
• Permite la formación de nudos en una red mallada
• Aumenta la fiabilidad del sistema
-De transformación pura: destinada a la transformación de tensión desde un nivel superior a otro inferior.
• Necesario presencia de uno o varios transformadores
• Niveles de transformación
-De transformación/maniobra: destinada a la transformación de tensión desde un nivel superior a otro
inferior, asÃ− como a la conexión entre circuitos del mismo nivel.
• Uso frecuente
-De transformación/cambio del número de fases: destinada a la alimentación de redes con distinto
número de fases.
-De rectificación: destinada a alimentar una red en corriente continua (subestación de tracción)
-De central: destinada a la transformación de tensión desde un nivel inferior a otro superior (centrales
eléctricas).
Emplazamiento (construcción)
-De intemperie
-De interior
• Elementos protegidos frente a agentes atmosféricos
• Distancias menores
• Más caras
• Transformadores: suelen estar a la intemperie
-Blindadas
• Aisladas en gas SF6
• MÃ−nimo espacio requerido
• Empleada en ciudades, zonas de alta contaminación
Según su voltaje y potencia:
-Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas: Estas se encuentran en las centrales
eléctricas o plantas generadoras de electricidad, para modificar los parámetros de la potencia suministrada
por los generadores, permitiendo asÃ− la transmisión en alta tensión en las lÃ−neas de transmisión. Los
generadores pueden suministrar la potencia entre 5 y 25 kV y la transmisión depende del volumen, la
energÃ−a y la distancia.
2
-Subestaciones receptoras primarias: Se alimentan directamente de las lÃ−neas de transmisión, y reducen la
tensión a valores menores para la alimentación de los sistemas de subtransmisión o redes de distribución,
de manera que, dependiendo de la tensión de transmisión pueden tener en su secundario tensiones de 115,
69 y eventualmente 34.5, 13.2, 6.9 o 4.16 kV.
-Subestaciones receptoras secundarias: Generalmente estas están alimentadas por las redes de
subtransmisión, y suministran la energÃ−a eléctrica a las redes de distribución a tensiones entre 34.5 y
6.9 kV.
3. Relación entre Subestaciones, LÃ−neas de Transmisión y Centrales Eléctricas Generadoras
Por razones técnicas (aislamiento, enfriamiento, etc.), los voltajes de generación en las centrales
generadoras son relativamente bajos en relación con los voltajes de transmisión, por lo que si la energÃ−a
eléctrica se va a transportar a grandes distancias estos voltajes de generación resultarÃ−an
antieconómicos debido a que se tendrÃ−a gran caÃ−da de voltajes. De aquÃ− se presenta la necesidad de
transmitir la energÃ−a eléctrica a voltajes más elevados que resulten más económicos. Por ejemplo, si
se va a transmitir energÃ−a eléctrica de una central generadora a un centro de consumo que está situado a
1,000 Km de distancia, será necesario elevar el voltaje de generación que supondremos de 13.8 Kv a otro
de transmisión más conveniente que asumimos sea de 110Kv.
Para poder elevar el voltaje de generación de 13.8 Kv al de transmisión de 110 Kv es necesario emplear una
S.E. “A” Suponiendo que la caÃ−da de voltaje en la lÃ−nea de transmisión fuera 0 Volts, tendrÃ−amos en
el centro de consumo 110 Kv. Es claro que este voltaje no es posible emplearlo en instalaciones industriales y
aún menos en comerciales y residenciales, de donde se desprende la necesidad de reducir el voltaje de
transmisión de 110 Kv a otro u otros más convenientes de distribución en centros urbanos de consumo.
Por tal razón será necesario emplear otra subestación eléctrica B, como se ilustra en la figura.Â
De lo anteriormente expuesto se puede inferir que existe una estrecha relación entre las subestaciones
eléctricas, lÃ−neas de transmisión y centrales generadoras.Â
4. Criterios para la determinación de la Capacidad de una Subestación Eléctrica. (Capacidad
Firme).
La capacidad de transformación de una subestación de distribución, debe ser tal que con el transformador
de mayor capacidad fuera de servicio, aún sea posible alimentar la totalidad de la demanda. De acuerdo a las
normas ANSI C-57.92 del año 1962, un transformador de potencia a una temperatura ambiente de 35 °C,
sometida a una carga previa al pico de demanda del 70% de su capacidad de placa y una duración del pico de
carga de 8 horas al 130% de su capacidad nominal, sufre una pérdida de vida del 1%. De acuerdo a esto la
capacidad firme de una subestación, con todos sus transformadores idénticos y con posibilidades de
transferencia de barras es:
CF = 1,3 x (NT - l) xP
Donde:
P = Capacidad nominal de cada transformador.
Nt = Número de unidades de transformación de la subestación.
CF = Capacidad firme de la subestación.
5. Elementos que Constituyen una Subestación Eléctrica.
3
1- Interruptor automático
2- Seccionadores
3- Conmutadores de puesta a tierra
4- Transformadores de corriente
5- Transformadores de potencial o transformadores de voltaje capacitor
6- Capacitores de acoplamiento
7- Filtros de lÃ−nea
8- Apartarrayos y/o espinterómetros
9- Transformadores de potencia
10- Reactores de derivación
11- Reactores limitadores de corriente
12- Barras y aisladores de estación
13- Sistemas de puesta a tierra
14- Capacitores en serie
15- Capacitores en derivación
6. Esquemas de Subestaciones y Criterios para su Selección.
Barra principal
Este arreglo es aquel que tiene una barra colectora, tanto de A.T. como en M.T., en donde convergen todos los
alimentadores en su barra correspondiente.
En A.T. se utiliza preferentemente en desarrollos de bajo crecimiento y su operación es en forma radial o
pudiendo integrarse a un anillo del sistema eléctrico, previendo el espacio para el crecimiento futuro.
Las caracterÃ−sticas o alcances de una subestación eléctrica con este arreglo son:
a) Barra principal para hasta 4 alimentadores en A.T.
b) Uno o dos transformadores.
c) Banco de capacitores en A.T. (opcional).
4
Ventajas:
a) No existe restricción entre la ubicación fÃ−sica de las bahÃ−as de los elementos y la funcionalidad de la
subestación eléctrica.
b) Con un interruptor fuera de servicio, el “disparo” o salida de un elemento, ocasiona la pérdida de
únicamente el elemento disparado.
c) Permite realizar arreglos de bajo perfil, ya que solo se requieren dos niveles de conductor energizado para
la conectividad entre equipos, En subestaciones blindadas en SF6 estos niveles no se requieren.
d) Permite dar mantenimiento al interruptor del elemento que se trate, sin la pérdida del enlace utilizando el
bypass.
e) Se puede ampliar fácilmente, en la subestaciones blindadas en SF6 se debe dejar espacios para el
crecimiento.
f) De fácil construcción modular.
g) Requiere poco espacio de construcción.
h) En subestaciones blindadas en SF6 son de mucha confiabilidad, es posible que todas las salidas y entradas
se puedan realizar con terminales SF6-Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.
i) En subestaciones blindadas en SF6, requiere poco espacio de construcción se puede reducir hasta un 40%
el área requerida.
j) En subestaciones blindadas en SF6 es muy difÃ−cil que exista una falla en la barra ya que esta se considera
un elemento pasivo.
Desventajas:
a) Una falla en la barra principal ocasiona la pérdida de todos los elementos de la subestación eléctrica.
b) No permite des-energizar la barra principal sin tener que desconectar todos los elementos de la
subestación eléctrica.
c) El uso de la cuchilla de “bypass”, requiere la operación de las protecciones de respaldo en las
subestaciones eléctricas remotas de la lÃ−nea de alta tensión del elemento liberado, para la subestaciones
blindadas en SF6 el uso de la cuchilla de “bypass”, no es recomendable en este arreglo ya que se garantiza la
operación continua de un interruptor sin darle mantenimientos, asÃ− mismo la aplicación de esta cuchilla
restringe las señales de medición, protección y control del equipo.
d) Para subestaciones blindadas en SF6 tipo intemperie las cuales requieran una ampacidad mayor a 2.500 A,
existe la probabilidad de que por temperaturas mayores a 40°C y la radiación solar directa se reduzca esta
ampacidad y se requiera poner una cubierta para evitar la radiación solar. En subestaciones blindadas en SF6
tipo interior no existe este problema.
Barra principal - barra de transferencia
Este arreglo es aquel que tiene dos barras colectoras, la principal que lleva toda la carga y la de transferencia,
que se utiliza para transferir la carga de un transformador de potencia o un alimentador de A.T. a través de
5
un interruptor comodÃ−n.
Se utiliza en áreas de corredores industriales, zonas de alto crecimiento y en áreas donde se requiera mayor
confiabilidad permitiendo el crecimiento, que su operación sea a un anillo del sistema eléctrico y que
permita la salida de lÃ−neas de alta tensión para operación.
Las caracterÃ−sticas o alcances de una subestación eléctrica con este arreglo son:
a) Barra principal-barra transferencia, para hasta 4 alimentadores en A.T.
b) Uno o dos transformadores.
c) Banco de capacitores en A.T. (opcional).
Ventajas:
a) Permite dar mantenimiento a los interruptores (uno a la vez) sin perder el elemento (LAT o banco de
transformación) a que pertenezca el interruptor. En subestaciones blindadas en SF6 no se requiere
mantenimiento mayor hasta por lo menos durante un periodo de 10 años.
b) Para subestaciones eléctricas importantes en la red y/o que requieran de alta confiabilidad este arreglo es
el más óptimo.
c) No existe restricción entre la ubicación fÃ−sica de las bahÃ−as de los elementos y la funcionalidad de la
subestación eléctrica, condición que facilita el reacomodo de las lÃ−neas de alta tensión y la
realización de ampliaciones.
d) Con un interruptor fuera de servicio (interruptor de transferencia en uso), el “disparo” o salida de un
elemento, ocasiona únicamente la pérdida del elemento disparado. En subestaciones blindadas en SF6
para las salidas y entradas se puedan realizar con terminales SF6-Cable y evitar partes vivas en la
subestación eléctrica.
e) En subestaciones de bajo perfil, permite dar mantenimiento al interruptor del elemento que se trate, sin la
pérdida del enlace utilizando el bypass y el interruptor comodÃ−n.
f) De fácil construcción modular, en subestaciones blindadas en SF6 se puede reducir hasta un 60% del
área requerida. Ocupa menor superficie de construcción dependiendo de la cantidad de bahÃ−as.
g) En subestaciones blindadas en SF6 no requiere de tres niveles de conductor energizado para la conectividad
entre equipos y barras.
h) En subestaciones blindadas en SF6.
Desventajas:
a) Una falla en la barra principal ocasiona la pérdida de todos los elementos de la subestación.
b) Es necesario transferir los disparos de protecciones al interruptor de transferencia, cuando éste se está
usando.
c) No permite desenergizar la barra principal sin tener que desconectar todos los elementos de la subestación.
6
d) En subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil con aislamiento en aire se pueden realizar
arreglos de bajo perfil, pero requiere tres niveles de conductor energizado para la conectividad entre equipos y
barras.
e) En las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil, Ocupa mayor superficie de construcción.
f) Para las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil en este arreglo no es recomendable la
instalación de interruptores de tanque muerto, derivado a los esquemas de protecciones de cada elemento
(lÃ−nea, banco etc.).
Anillo
Este arreglo es aquel que tiene secciones de barra, las cuales están interconectadas y forman un anillo, en
donde convergen todos los elementos.
Este arreglo se utiliza donde se requiere alta confiabilidad tanto en la subestación eléctrica, como en el
sistema que la alimenta y su operación es en anillo.
Las caracterÃ−sticas y alcances de una Subestación Eléctrica con este arreglo son:
a) Buses de A.T. con disposición en “anillo” hasta 4 lÃ−neas.
b) Uno o dos transformadores.
c) No incluir banco de capacitores en A.T.
Ventajas:
a) Permite dar mantenimiento a cualquier interruptor sin perder los elementos adyacentes a dicho interruptor,
en subestaciones blindadas en SF6 no requiere mantenimientos mayores hasta por lo menos durante un
periodo de 10 años.
b) Aumenta la confiabilidad al permitir alimentar un elemento por dos trayectorias diferentes.
c) Pocas maniobras para librar interruptores.
d) Permite realizar arreglos de relieve bajo, ya que solo se requieren dos niveles de conductor energizado para
la conectividad entre equipos, en subestaciones blindadas en SF6 no requiere de niveles de conductor
energizado para la conectividad entre equipos y barras, es posible que todos las salidas y entradas se puedan
realizar con terminales SF6 -Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.
e) Requerimientos mÃ−nimos de estructuras metálicas debido a que se tienen acometidas subterráneas.
f) En subestaciones blindadas en gas SF6 ocupa menor espacio de construcción.
g) La realización de ampliaciones en subestaciones blindadas en gas SF6 resulta de mayor facilidad.
Desventajas:
a) Cuando un interruptor está en mantenimiento, el disparo de un elemento puede causar la pérdida de
otros elementos.
7
b) La realización de ampliaciones resulta complicada, ya que es necesario romper el anillo e incrementar la
superficie del área eléctrica en las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil.
c) Ocupa mayor espacio de construcción en las subestaciones eléctricas de distribución de bajo perfil.
Arreglo de barras en “H”
Este arreglo se utiliza en áreas sin crecimiento en A.T., limitado a dos alimentadores y dos bancos de
transformación, su operación es dentro de un anillo del sistema eléctrico (dos fuentes) y no se deben
instalar más de dos subestaciones eléctricas adyacentes.
Las caracterÃ−sticas y alcances de la subestación eléctrica con este arreglo son:
a) Barras de A.T. en disposición “H” para dos lÃ−neas.
b) Uno o dos transformadores.
c) No incluir banco de capacitores en A.T.
Ventajas:
a) Utiliza menos equipo.
b) Ocupa menor espacio de construcción.
c) En subestaciones blindadas en SF6 permite realizar arreglos de relieve bajo, es posible que todos las salidas
y entradas se puedan realizar con terminales SF6 -Cable y evitar partes vivas en la subestación eléctrica.
d) Requerimientos mÃ−nimos de estructuras metálicas debido a que se tienen acometidas subterráneas.
e) De fácil construcción modular se puede reducir hasta un 60% el área requerida de la subestación.
f) Ocupa menor espacio de construcción.
Desventajas:
a) Cuando un interruptor está en mantenimiento, el disparo de un elemento puede causar la pérdida de
otros elementos, por lo tanto, no se deben instalar más de dos subestaciones eléctricas adyacentes.
b) Su uso es para dos lÃ−neas de alta tensión y dos bancos de transformación como máximo (no hay lugar
a ampliaciones).
c) Para mantenimiento de un elemento de lÃ−nea de alta tensión se debe abrir el anillo, por lo tanto, no debe
instalarse una subestación eléctrica con este arreglo en una lÃ−nea que respalda dos subestaciones.
d) Para subestaciones blindadas en SF6 tipo intemperie las cuales requieran una ampacidad mayor a 2.500 A.
existe la probabilidad de que por temperaturas mayores a 40°C y la radiación solar directa se reduzca esta
ampacidad y se requiera una cubierta para evitar la radiación solar.
e) En subestaciones blindadas en SF6 tipo interior no existe este problema.
Criterios de selección
8
• Condiciones ambientales normalizadas.
• Temperatura, nivel isoceraunico, sismos, vientos, etc.
• Tensiones normalizadas.
• Sobretensiones de origen atmosférico, de maniobra y a frecuencia industrial.
• Corriente nominal y de cortocircuito.
• Pórticos.
• Soportes de equipos.
• Soportes de barras.
• Distancias de seguridad, entre fases y a tierra.
• Equipos que pueden permitir el mantenimiento con seguridad.
• Criterios tales como elevación de la temperatura en condiciones de operación normal y de
emergencia. Tamaños normalizados, tipos de conector, aisladores, anclajes, interferencias
radiofónicas.
• Criterios para la selección de cables de mando y medida. Uso del blindaje.
• Criterios generales para la protección de lÃ−neas (confiabilidad, seguridad, estabilidad y otros
utilizados en el sistema de CADAFE). Esquemas de principios para la protección de
transformadores, baterÃ−as de condensadores, barras, fallas de disyuntores, salidas, etc.
• Tipos de mando y señalización requeridos en cada tipo de subestación con normas o guÃ−as de
referencia.
• Criterios generales que sirven para:
• Comunicaciones internas.
• Sistemas de ondas portadoras.
• Sistemas de micro-ondas.
• Sistemas de radio.
Â
Utilizados en las subestaciones, asÃ− como los requerimientos para cada tipo normalizado.
♦ Criterios generales como la elevación de potencial, potencial de toque y de paso, magnitud y
duración del cortocircuito, uso de las cuchillas de puesta a tierra, tipo de conectores y
conductores asÃ− como las normas y guÃ−as de referencia.
♦ Consideraciones generales sobre el diseño de las subestaciones bajo el punto de vista del
sÃ−smico. Lista de puntos crÃ−ticos, estudios requeridos, pruebas, normas y guÃ−as de
referencia.
♦ Campo eléctrico aceptable en vÃ−as de tránsito, zonas accesibles a pie, para vehÃ−culos,
etc.
♦ Niveles de ruido audibles y radio interferencias aceptables.
♦ Ruido debido a los transformadores y reactancias.
♦ Ruido debido a los conductores tendidos.
♦ Requisitos de enclavamientos.
♦ Identificación de los equipos y fases.
♦ Avisos de maniobra.
♦ Nomenclatura de los equipos, cables de mando y cables de potencia.
♦ Esquemas utilizados para tipo de subestaciones en corriente continúa y alterna, alumbrado,
tomas de corriente, servicios de agua, ventilación, aire acondicionado, etc.
♦ Sistemas y dispositivos requeridos en cada tipo de subestación para transformadores,
reactancias, casas de mando, edificaciones, etc.
♦ Control de acceso.
♦ Sistemas de alarma.
♦ Dispositivos de seguridad.
♦ Avisos de peligros.
9
♦ Normas de trabajo.
♦ Otras consideraciones, que pueden aplicarse a la seguridad del personal.
CONCLUSIÃ N
10